多功能信號發(fā)生器的設(shè)計(共44頁)

1、 學(xué)號： 11440000 常 州 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(b y sh j)（論文）（2015屆）題 目 多功能信號(xnho)發(fā)生器的設(shè)計 學(xué) 生 XXX 學(xué) 院 信息科學(xué)(xn x k xu)與工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級 電子115 校內(nèi)指導(dǎo)教師 何寶祥 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 教 授 二一五年六月 多功能信號(xnho)發(fā)生器的設(shè)計摘要(zhiyo)：信號(xnho)發(fā)生器在通信、教學(xué)、測量等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，是信號仿真實驗中不可缺少的重要工具。本文通過分析現(xiàn)有多功能信號發(fā)生器的工作原理，根據(jù)提供的參數(shù)要求，決定采用DDS技術(shù)，以Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機為主控機，且以DDS芯片AD985

2、4作為系統(tǒng)信號產(chǎn)生的關(guān)鍵器件，設(shè)計出了一種輸出頻率高、分辨率高、低功耗、能產(chǎn)生多種波形的多功能信號發(fā)生器。其中相關(guān)軟件的設(shè)計使用C語言來完成。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器，DDS技術(shù)， AD9854，AT89S52 Design of multi-function generatorAbstract：Signal generator is widely used in communication, teaching, measurement and so on. It is an important tool in signal simulation experiment.In this paper,

3、through the analysis of the working principle of the existing multi function signal generator, according to the requirements of the parameters provided by, decided to use DDS technology, MCU AT89S52 of ATMEL company produces as the master machine and DDS chip AD9854 as signal system to produce the k

4、ey devices, design a high output frequency, high resolution, low power consumption, produce a variety of waveforms of multifunctional signal generator. The design of the relevant software using C language to complete.Key Word: Signal Generating， DDS, AD9854, AT89S52目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要IAbstract1 緒論(x

5、ln)11.1信號(xnho)發(fā)生器的發(fā)展和現(xiàn)狀21.2信號發(fā)生器研究背景(bijng)及其意義22 信號發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計32.1方案的原理、特點與選擇依據(jù) 32.2 系統(tǒng)總體設(shè)計42.2.1鍵盤輸入方案論證52.2.2顯示方案論證53 系統(tǒng)硬件設(shè)計63.1單片機最小系統(tǒng)63.1.1最小系統(tǒng)的構(gòu)成特點63.1.2 AT89S52的晶振及其連接方法63.2 AT89S52與AD9854的接口83.3鍵盤電路原理113.3.1獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)的工作原理及接口113.3.2矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)的工作原理123.4液晶顯示電路133.5幅度調(diào)節(jié)電路144 系統(tǒng)的軟件設(shè)計164.1 軟件總體設(shè)計164.2 主程序

6、模塊164.3 信號(xnho)產(chǎn)生軟件的設(shè)計184.4人機交互模塊(m kui)設(shè)計204.4.1鍵盤(jinpn)程序設(shè)計204.4.2顯示程序設(shè)計235 系統(tǒng)仿真和分析266 系統(tǒng)調(diào)試286.1硬件調(diào)試286.2軟件調(diào)試287實驗數(shù)據(jù)和元器件清單307.1實驗數(shù)據(jù)及分析307.2實際波形與失真度分析317.3實物制作328 總結(jié)34參考文獻35致謝36附錄37常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 1 緒論(xln)1.1信號(xnho)發(fā)生器的發(fā)展在今天，隨著新材料(cilio)技術(shù)和集成電路（integrated circuit）制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多體積

7、小，性能優(yōu)異的新型信號發(fā)生器。而面向控制是信號發(fā)生器的最大特點。新型信號發(fā)生器的優(yōu)點很多，如低功耗、體積小巧、計算和轉(zhuǎn)換的速度快，價格低廉等。而信號發(fā)生器作為工程技術(shù)學(xué)科必備的裝置，它的快速發(fā)展，對于工程技術(shù)學(xué)科有了很大的推進作用。在以下四個方面體現(xiàn)了信號發(fā)生器的發(fā)展：CPU功能增強CPU在精度和運算速度的有了很大的提升。而為了提高精度和運算速度，信號發(fā)生器通常采用16位或32位的字長的CPU到和布爾處理機。例如HDX801和DG400等性能優(yōu)異的信號發(fā)生器。（2）內(nèi)部資源增多隨著制造水平的提高，在相同體積的情況下，能夠在內(nèi)部添加更多的資源?？梢允褂脙?nèi)部的串并行I/O接口來與外部裝置通信，使用

8、內(nèi)置的定時器/計數(shù)器來產(chǎn)生中斷功能，并且自帶掉電保護和系統(tǒng)故障檢測功能。而信號發(fā)生器的容量也得到了提高，RAM可達1KB，ROM也達到了32KB，能夠進行更大數(shù)據(jù)量的計算。為了能轉(zhuǎn)換模擬信號和數(shù)字信號，通常還內(nèi)置A/D和D/A轉(zhuǎn)化器。（3）引腳的多功能化由于芯片內(nèi)置功能的不斷增加，為了使用這些功能，必須增加芯片的引腳數(shù)量。例如：當(dāng)信號發(fā)生器尋址為1MB大小時，必須使用8條數(shù)據(jù)線和20條地址線才能完成2。但是芯片的引腳太多會使得制造成本和制造難度大大提高，也增大了芯片的體積，不利于單片機使用的靈活性。為了在不影響芯片功能的前提下，可以采用一腳多用的方案來減少引腳的數(shù)量。（4）低電壓和低功耗在實際

9、應(yīng)用(yngyng)中，為了節(jié)約能源，或者(huzh)條件(tiojin)所限，信號發(fā)生器必須能夠在較低的電壓環(huán)境下工作。同時滿足低功耗的設(shè)計要求。為了達到這個目的，通常使用互補金屬氧化物工藝。1.2信號發(fā)生器研究背景及其意義信號發(fā)生器的技術(shù)發(fā)展到今天,其中的關(guān)鍵技術(shù)仍然被國外的幾家大公司所掌握,如日本的Tektronix、Agilent 、橫河等。美國的FLUKE公司生產(chǎn)的FLUKE-25函數(shù)信號發(fā)生器性能強大，所產(chǎn)生的正弦波和三角波失真度小，最高可達5MHZ的頻率，幅值也能達到10Vpp3。國內(nèi)信號發(fā)生器的起步比較晚，但隨著技術(shù)的積累和進步，已經(jīng)能夠逐漸達到國際平均水平。如中國電子科技集團

10、公司的AV1445通信矢量信號發(fā)生器、固緯電子公司的SFG-2110數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，例如在廣播、通信、電視系統(tǒng)中，都需要射頻發(fā)射。通過載波，把低頻的音頻或脈沖信號發(fā)射出去，就需要高頻的振蕩器。而在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如熔煉、淬火、核磁共振、超聲診斷等，都需要頻率或低或高、功率或小或大的振蕩器。隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，對測試手段和測試儀器也有了更大的要求，而開發(fā)在測試環(huán)節(jié)中占用重要地位的信號發(fā)生器，具有十分重要的意義。2.信號(xnho)發(fā)生器總體設(shè)計2.1方案的原理、特點與選擇(xunz)依據(jù)方案(fng n)一：通過

11、鎖相頻合成的辦法,全部使用硬件電路來實現(xiàn)。使用IC145152芯片來搭建鎖相電路，此電路可以輸出穩(wěn)定性很好的正弦波，再連接過零比較器，將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，通過積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。該方案具有較高的成本,且會產(chǎn)生過多的雜散分量,難以達到較高的頻譜純度。設(shè)計也更加復(fù)雜一點，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)制造，不易實現(xiàn)。但此方法的最大優(yōu)勢在于,運行的速度較高,適用于需要高速運算的應(yīng)用場景。方案二：使用波形產(chǎn)生芯片MAX038來直接生成波形.優(yōu)點:頻率范圍從0.1Hz到20MHz,最高可達40MHz。調(diào)節(jié)占空比時不會影響頻率,反之亦然,且占空比調(diào)節(jié)范圍大。本方案波形失真小，精確度高，功耗低。缺點：此方案成本較高，

12、不利于大規(guī)模生產(chǎn)。方案三：通過51單片機來控制DAC芯片，從而輸出波形。這個方案中，可以使用編程的方法來改變波形的幅度和頻率。此方案產(chǎn)生的波形十分穩(wěn)定，且具有較高的精確度，電路的元器件也很少，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但電路產(chǎn)生波形的分辨率不太理想，頻率十分有限。流程圖如2-1所示。D/A轉(zhuǎn)換89C51復(fù)位按鍵波形輸出圖2-1 51單片機作為發(fā)生裝置方案(fng n)四：通過采用AT89S52單片機，AD9854（DDS）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)目標(biāo)。AD9854作為DDS芯片用以產(chǎn)生波形。通過鍵盤輸入模塊，可以通過簡單(jindn)的并行或串行通信接口與單片機轉(zhuǎn)換為芯片頻率相位控制字，可以(

13、ky)方便的調(diào)節(jié)信號的頻率。AD7520芯片在AT89S52單片機的控制下調(diào)整信號幅度。通過采用AD9854芯片，由于它相對高的穩(wěn)定性和非線性失真的較小，所以所產(chǎn)生的波動是比較小的。波形的產(chǎn)生過程由單片機實現(xiàn)。所以理論上我們可以寫一個程序來生成任意波形。該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，而且它具有一定的理論和實踐價值。流程圖如2-2所示。波形輸出鍵盤信號產(chǎn)生模塊AD9854AT89S52單片機顯示屏圖2-2 總體模塊設(shè)計方案的確定：方案三的最大特點就是簡潔高效，能夠最簡單的實現(xiàn)任務(wù)要求，成本低，且方便糾錯,但可調(diào)頻率太低,不能進行實際的應(yīng)用。而方案一電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾因素較多，不能簡潔的完成要求。

14、方案二能夠更加精準(zhǔn)的產(chǎn)生波形，但比方案三的成本高出太多，不切合實際。方案四的成本雖然比其他要高,但能實現(xiàn)高頻率波形的輸出,穩(wěn)定性高,失真度小。所以選方案四。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計本設(shè)計的目標(biāo)是設(shè)計一個多功能信號發(fā)生器，它能夠輸出多種波形。且該信號發(fā)生器輸出信號的頻率范圍很大，為20Hz至2MHz，還能調(diào)節(jié)波形的幅度。這樣，由于單片機本身的硬件限制，不能作為信號的發(fā)生裝置，只能作為控制裝置。發(fā)生裝置則只能使用DDS或者FPGA才能完成任務(wù)。該信號發(fā)生器有以下幾部分組成：控制模塊、按鍵及其顯示模塊、低通濾波模塊、運放模塊?；驹恚簡纹瑱C控制DDS芯片方案在本方案(fng n)中，控制(kngzh)電

15、路(dinl)使用單片機來實現(xiàn)，連接其它的外圍電路，如鍵盤，顯示等。它能對信號的產(chǎn)生、處理、顯示加以控制。并使用低通濾波電路和信號放大電路來對信號進行處理。而最為關(guān)鍵的信號發(fā)生，則采用DDS芯片中的AD985X系列芯片來實現(xiàn)。該芯片具有速度快、精確度高、分辨率高的優(yōu)點，能夠滿足電路設(shè)計的參數(shù)要求。2.2.1鍵盤輸入方案論證方案一：采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的原理十分簡單。鍵盤由行線和列線組成，按鍵安放在行線和列線的交叉點。使用時是通過檢測線路導(dǎo)通與否來確定是否有按鍵被按下。方案二：編碼式鍵盤。芯片74LS148與所有的按鍵相連，當(dāng)沒有按鍵按下時，74LS148收不到信號。當(dāng)有按鍵按下時，該按鍵

16、所對應(yīng)的鍵碼，就會傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)，從而執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。方案三：可以選擇zlg7289作為鍵盤，它不但能夠與單片機進行通信，還能消除抖動，避免輸入錯誤。還能的自動掃描鍵盤，提高了單片機的效率。2.2.2顯示方案論證方案一：使用LED數(shù)碼管來顯示。LED數(shù)碼管由八個發(fā)光的二極管組成，可以顯示所有的數(shù)字和A、B、C、D、E、F 六個字母。但在本設(shè)計中，需要顯示波形的種類和具體的參數(shù)，如果使用該方案的話，需要較多的數(shù)碼管才能完成，成本較高。方案二：使用LCD液晶顯示。LCD液晶顯示器是一種專門用來顯示字母、符號、數(shù)字的裝置。與LED數(shù)碼管不同，LCD液晶顯示器是點陣式的，所以它顯示的信息比LED要多，也

17、更加美觀，所以選擇方案二。3 系統(tǒng)(xtng)硬件設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)(xtng)3.1.1最小系統(tǒng)的構(gòu)成(guchng)特點（1）由于單片機沒有擴展存儲器和外設(shè)，P0、P1、P2、P3都可以作為I/O接口使用4。其原理圖如3-1所示。（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器有128B，地址空間為00H7FH，片外數(shù)據(jù)存儲器。（3）片內(nèi)有4KB的程序存儲器，地址空間為0000H0FFFH，沒有片外存儲器，應(yīng)接高電平。（4）可以使用兩個定時/計數(shù)器T0和T1，一個全雙工的串行通信接口，5個中斷源。圖3-1 單片機最小系統(tǒng)的原理圖3.1.2 AT89S52的晶振及其連接方法 為了使單片機AT89S52能夠正常工作

18、，必須連接脈沖信號。而提供時鐘脈沖的方式有兩種：第一種是外部時鐘方式，即AT89S52連接外部電路來提供時鐘脈沖，如圖3-2；第二種是使用內(nèi)部時鐘方式，AT89S52內(nèi)部存在一個高增益的反相放大器，通過XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶振和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器，該振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路，即使用晶振由89S52內(nèi)部電路產(chǎn)生時鐘脈沖。一般常用第二種方法，其電路如圖3-3所示。使用(shyng)陶瓷濾波器時，可能(knng)對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性有一定(ydng)的影響，為了減少誤差，提高性能，通常使用石英晶體。一般來說，使用石英晶體時，C1=C2=30（10）pF，晶體的振蕩頻率范圍為1

19、12MHz。使用陶瓷濾波器時，C1=C2=40（10）pF。89S52XTAL2XTAL189S52XTAL2XTAL1懸空外部時鐘信號C1C2J圖3-2 外部時鐘圖3-3 內(nèi)部時鐘信號發(fā)生器作為現(xiàn)代測量領(lǐng)域必備的產(chǎn)品，必須滿足高速度、高精度、高分辨率等要求。信號的產(chǎn)生采用DDS專用芯片AD9854。而信號發(fā)生器的控制部分則則采用愛特梅爾公司的8位單片機AT89S52芯片。使用愛特梅爾公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與80C51產(chǎn)品在引腳和指令完全兼容。由于AT89S52擁有十分靈活的八位CPU以及能夠編程的Flash芯片，讓AT89S52能夠為大部分嵌入式開發(fā)提供高效、靈活的解決方案6。設(shè)

20、計中信號的控制由AT89S52完成，而信號的發(fā)生則由AD9854完成。用戶通過鍵盤輸出指令，由AT89S52接收這個指令，經(jīng)過處理之后，將指令所代表的控制字發(fā)送給AD9854。由AD9854產(chǎn)生頻率幅度可控的信號。在本設(shè)計(shj)中。AD9854 ASQ具有許多優(yōu)異(yuy)的性能，如可控掃頻和自動掃頻，價格(jig)便宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)。3.2 AT89S52與AD9854的接口由于AD9854不存在內(nèi)置RAM，所以在DDS芯片和單片機的接口電路中，實現(xiàn)可編程調(diào)制功能時，必須使用高速并行接口來及時刷新內(nèi)部寄存器的方法。單片機作為控制中心除了要控制AD9854以外，還得控制其它外圍電路如鍵盤

21、及顯示等，單片機的引腳有限，所以地址線和數(shù)據(jù)線需要復(fù)用。由于AT89S52工作電壓為5V而AD9854的工作電壓為3.3V，所以需要使用74LVCH16245 16位低壓CMOS收發(fā)器來協(xié)調(diào)3.3V和5V器件的信號傳輸。在本系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的方向為單向，即AT89S52向AD9854傳輸數(shù)據(jù)7。對74LVCH16245來說，引腳1DIR和2DIR分別控制lA1B和2A2B端口，當(dāng)1 DIR和2DIR均為高電平時，數(shù)據(jù)由1A和2A端口傳到1B和2B端口;當(dāng)1 DIR和2DIR都為低電平時，數(shù)據(jù)反過來由1B端口和2B端口傳到1A和2A端口。在本系統(tǒng)中，可以將高電平接引腳1 DIR和2DIR引腳，這樣

22、連接以后，AT89S52就將數(shù)據(jù)從A端口傳送到B端口，再由B端口傳送給AD89548。 74LVCH16245的1OE和2OE引腳為片選信號端，低電平時工作，當(dāng)1OE和2OE接高電平時，芯片的數(shù)據(jù)線則處于高阻狀態(tài)。圖3-4 AT89S52與74LVCH16245的連接(linji)圖如圖3-4所示，AT89S52的P0.0P0.7端口與74LVCH16245電平轉(zhuǎn)換芯片的1A11A8端口連接，1B11B8輸出端口則與AD9854的DO至D7端口相連(xin lin)，P2.0至P2.5端口通過LOCH 16245A的2A12A6端口輸入，AO至A5端口和2B12B6端口相連，從而(cng r)

23、輸出傳輸寄存器地址信息，P3.6, P3.7通過LVCH 16245A的2A7,2A8端口輸入，2B7, 2B8端口輸出分別與WR,RD兩個引腳相連控制讀寫操作，由這三部分共同組成并行傳輸控制9。AT89S52的P3.5引腳控制LVCH 16245的OE引腳，當(dāng)向AD9854傳輸數(shù)據(jù)時置低電平，當(dāng)單片機AT89S52向液晶顯示器傳送數(shù)據(jù)時，接高電平，使得LVCH 16245處于高阻狀態(tài)。AT89S52的P3.3引腳與AD9854的71引腳(MASTER RESET)相連，對其進行復(fù)位控制；如果要控制數(shù)字調(diào)制方式，則必須使P3.4引腳與29引腳 (FSK/BPSK/HOLD)相連。通過(tngg

24、u)這個倍頻器，有效(yuxio)的降低了參考時鐘在頻率方面(fngmin)的問題，而電路也變得簡介，但這樣一來，就使得輸出頻率的性能不理想。因為根據(jù)PLL理論可知，PLL的相位噪聲性能與倍頻倍數(shù)和環(huán)路寬度有關(guān)，提高了倍頻數(shù)，相位噪聲也會增加。如果使用環(huán)路濾波器，它可以有效的對帶外的參考時鐘分量進行濾除，但卻會惡化帶內(nèi)的頻率。當(dāng)電路的參考時鐘端出現(xiàn)噪聲時，在環(huán)路帶寬內(nèi)，此噪聲都會成比例的增加。根據(jù)公式dB=lO1gX（其中X代表倍頻數(shù)）來看，噪聲對窄帶SFDR有著嚴(yán)重的影響。圖3-5 AD9854與74LVCH 16245的連接圖除此之外，由于PLL還會使工作電流在原來的基礎(chǔ)上增大約100mA

25、10，這將增加DDS發(fā)熱量。本設(shè)計的目標(biāo)是輸出頻率可達80MHz，通過計算可知，參考時鐘必須有200MHz以上。如果直接購買200MHz的時鐘，成本太高，考慮到實際的情況，還是采用PLL的方法用低頻晶振來作為參考時鐘。在電路(dinl)中，AT89S52和AD8954使用(shyng)同一個20MHz的晶振。這個(zh ge)晶振可以作為單片機最小系統(tǒng)的一部分。而20MHz的晶振經(jīng)過AD9854內(nèi)部的倍頻器倍頻15倍后，能夠產(chǎn)生高達300MHz的頻率，足以滿足要求。3.3鍵盤電路原理在實際的應(yīng)用中，為了向系統(tǒng)輸入指令或者可以改變控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，需要連接鍵盤來達到目的。通常按鍵的兩個觸點連接

26、則按鍵導(dǎo)通，反之則斷開，多個按鍵可以組成鍵盤來輸入復(fù)雜的命令。從鍵盤的結(jié)構(gòu)來看，可以分為矩陣鍵盤和獨立式鍵盤。而按鍵的識別，如果有專門的硬件芯片來實現(xiàn)，就是編碼式鍵盤，反之，如果使用軟件來識別按鍵，則是未編碼鍵盤。本設(shè)計采用未編碼鍵盤。3.3.1獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)的工作原理及接口 當(dāng)一個系統(tǒng)只需要幾個按鍵即可滿足指令的輸入時，可使用獨立式鍵盤來滿足要求。獨立式鍵盤的原理圖如3-4-1所示，當(dāng)沒有按鍵按下時，輸入線的電壓為高電平，而當(dāng)有鍵按下時，按鍵的一腳連接到地線，使得按鍵相應(yīng)的輸入線為低電平，此時，CPU就可以通過檢查輸入線的狀態(tài)來知道是哪個鍵按下了。每一個按鍵都需要獨立的輸入線，每增加一個按鍵

27、，就要增加一根地址線，可以看出，獨立式鍵盤適用于按鍵較少的電路，一旦按鍵數(shù)量有較大的要求時，獨立式鍵盤就不適用了，此時可以采用矩陣式鍵盤11。獨立式鍵盤的原理圖如圖3-6所示。+5V4.7K4.7K4.7K4.7KK1X0X1K2K3X2K3X3圖3-6獨立式未編碼(bin m)鍵盤3.3.2矩陣式鍵盤的工作(gngzu)原理 如圖3-4-2所示是一個3*2矩陣式鍵盤(jinpn)，按鍵處于行線(X0X1)與列線（Y0Y2）的交叉處。當(dāng)鍵盤上沒有按鍵按下時，行線和列線都處于斷開狀態(tài)，列線連接接了+5V電源的電阻。當(dāng)有按鍵按下時，該鍵位置上的行線與列線則被短路。例如：按下S1鍵時，行線X1和列線

28、Y0都被短路，此時X1的電平由Y0的電位所決定。把電路的行線與單片機的輸入口相連，列線則與輸出口相連，此時可令Y0為低電平，Y1、Y2、皆為高電平，讀行線的狀態(tài)。如果行線X0、X1都處于高電平的狀態(tài)，則Y0這一列沒有按鍵按下。反之，如果行線的狀態(tài)不全為高電平，則低電平的那條行線與Y0交叉點上，有按鍵按下。依此類推，最后使列線Y2處于低電平，其余的列線為高電平，檢查Y2這一列上是否有鍵閉合。其結(jié)構(gòu)圖如3-7所示。X1X0Y2Y1Y0圖3-7 3*2矩陣式未編碼鍵盤結(jié)構(gòu)圖通過這種逐行逐列的掃描，CPU能夠知道哪個按鍵被按下，這也叫做對鍵盤的一次掃描。對鍵盤掃描的方式有很多，如定時掃描，每隔上固定的

29、時間，CPU對鍵盤掃描一次，也可以采取程序控制的隨機方式，如當(dāng)CPU空閑時間時掃描。還可以采用中斷方式，當(dāng)有按鍵被按下時，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU收到請求后，對鍵盤進行掃描，判斷是那個鍵按下，從而執(zhí)行相關(guān)的指令。CPU對鍵盤上究竟哪個鍵被按下，可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表求得，也可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得。3.4液晶顯示電路(dinl)本設(shè)計通過液晶(yjng)1602顯示輸出的波形、頻率。LCD1602能同時顯示16x02即32個字符。（16列2行） 1602采用標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)的16腳接口，其中： 圖3-8 液晶(yjng)1602顯示由圖3-8所示，LCD1602的三個使能端

30、RS、RW、E分別(fnbi)與單片機的P3.2、P3.3、P3.4連接(linji)。而單片機的P1口則與LCD1602的八位數(shù)據(jù)端連接。可以通過軟件編程的方法來顯示波形的種類和頻率。3.5幅度調(diào)節(jié)電路本次設(shè)計的信號發(fā)生器，要求可以對它進行幅度上的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是0至圖3-9 幅度調(diào)節(jié)模塊電路5V。而AD9854的輸出(shch)信號幅度為0.5V，達不到(b do)要求(yoqi)。因此必須使用信號放大電路來調(diào)節(jié)幅度的大小。如圖3-9所示，通過使用MAX437芯片組成電路，MAX437性能優(yōu)異，信號的抗干擾能力很強?？梢哉{(diào)節(jié)電位器的電阻來達到調(diào)節(jié)信號幅度的目的。4.系統(tǒng)軟件(x tn ru

31、n jin)設(shè)計(shj)4.1系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計方案 在本設(shè)計中當(dāng)操作者按下不同的按鍵后，單片機的主要工作就是執(zhí)行與之對應(yīng)的任務(wù)，而按鍵的鍵碼決定任務(wù)的先后順序。操作者通過鍵盤發(fā)出指令，同時，監(jiān)控主程序接收到命令后進行分析，再把具體的命令發(fā)送給執(zhí)行子程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方案，通過將一個具有完整功能的程序，按照特定的類型，分成幾個具有獨立功能的程序模塊。分別對這些模塊進行設(shè)計、編程、調(diào)試，調(diào)試完成之后，再把所有的模塊組合成完整的程序。采用模塊化的程序設(shè)計方法，其獨立設(shè)計的功能模塊容易調(diào)試，功能也十分明確，不容易出現(xiàn)各個功能相互影響的情況。一個模塊可以為多個程

32、序所共享。使用模塊化編程就是將主程序?qū)懗梢粋€不斷循環(huán)檢測的結(jié)構(gòu)，而把各個相對獨立的功能模塊寫成子函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，主程序就在不斷循環(huán)查找按鍵的狀態(tài)，如果有按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的命令。在本系統(tǒng)中，PC機可以通過串行口來發(fā)出指令控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)由三個模塊組成，主程序模塊、人機交互模塊、信號產(chǎn)生模塊。其中主程序模塊在系統(tǒng)中處于至關(guān)重要的作用。主程序模塊的主要工作是識別鍵盤發(fā)出的指令，經(jīng)過處理后找到該指令所對應(yīng)模塊的入口。主程序模塊統(tǒng)籌了整個系統(tǒng)的功能。4.2 主程序模塊上電復(fù)位后，系統(tǒng)將運行初始化程序，包括單片機AT89S52的初始化、DDS芯片AD9854的初始化, LCD液晶顯示的初始化

33、等。完成初始化后，CPU不斷掃描鍵盤狀態(tài)，一旦檢測到有按鍵按下時，計算出鍵值，根據(jù)鍵值來執(zhí)行相應(yīng)的子程序。同時也將相應(yīng)的輸入信息顯示在LCD液晶面板上。當(dāng)輸入完成時，CPU檢測到按下設(shè)置鍵，單片機計算出波形的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)傳給DDS芯片，最終輸出所需波形。主程序流程圖如圖4-1所示。 圖4-1 系統(tǒng)(xtng)主程序流程圖當(dāng)完成(wn chng)一次任務(wù)后，重新執(zhí)行主程序，接著(ji zhe)掃描鍵盤狀態(tài)，檢測是否有按鍵按下。初始化程序主要是以下工作:（1）設(shè)置PSW的RSO,RS1均為0，將當(dāng)前工作寄存器選擇為第一組寄存器；（2）將堆棧指針設(shè)置為SP=70H；（3）調(diào)用LCD液晶顯示器的初始化

34、程序；（4）設(shè)置鍵盤輸入值存放區(qū)，為20H,21 H,22H,23H,24H,25H；（5）初始化串行口通信，允許定時器0中斷，置中斷允許觸發(fā)器IE=92H，允許串行口中斷12；（6）轉(zhuǎn)鍵盤掃描程序；系統(tǒng)(xtng)主程序圖如圖4-2所示。用20個系統(tǒng)周期的高電平輸入至AD9854的71引腳，從而(cng r)使得(sh de)AD9854初始化。初始化之后，就能對將控制字寫入AD9854中。在接收到系統(tǒng)發(fā)送的控制字之后，DDS可以保持輸出信號參數(shù)不變，直到再次接收到初始化命令。4.3 信號產(chǎn)生軟件的設(shè)計在本設(shè)計中AT89S52根據(jù)鍵盤上得到信號，得出所需信號的頻率和幅度，再計算出頻率控制字和

35、幅度控制字， DDS芯片AD9854得到控制字后，它可以根據(jù)控制字來產(chǎn)生相應(yīng)的波形。當(dāng)DDS工作時，接收到AT89S52發(fā)出的48位的頻率控制字，當(dāng)接收到控制字之后，AD9854便在DDS核內(nèi)進行相關(guān)信號的合成。再經(jīng)過內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換，把合成的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。 在AD9854內(nèi)部有一個寄存器表，地址范圍是00H27H，這個寄存器的功能就是用來存儲各種狀態(tài)字和控制字。所以外部設(shè)備就可以通過I/O端口和這個寄存器進行數(shù)據(jù)的傳輸。在通信之前，首先通過地址端口A1A6來確定寫入的寄存器，再通過數(shù)據(jù)端口D0D7寫入控制字或狀態(tài)字，I/O緩沖區(qū)的內(nèi)容必須在更新脈沖的作用下才能刷新到寄存器表中，這樣

36、可以很好地達到同步。相位控制字為14位，頻率控制字為48位。相位控制字1存放在寄存器表中的00H、01H中，而相位控制2存放于02H、03H中。輸出信號的相位精確度與它有很大的關(guān)系。最低相位可達0.022度。與之相對應(yīng)的頻率控制字1存放在04H至09H，頻率控制字2則存放在0AH至0FH中13。輸出信號的頻率與之相關(guān)。最低頻率可達1.066*10-6Hz。在生成波形前，需要知道波形的頻率，根據(jù)頻率計算出頻率控制字，這樣系統(tǒng)才能識別。其計算公式為： （4-3） 在4-3這個公式中，fCLK代表時鐘頻率，N代表相位累加器的位數(shù)，我們使用的AD9854為48位，f代表輸出頻率，WFC代表頻率控制字。

37、由于本設(shè)計采用AD9854芯片，其相位累加器的位數(shù)高達48，由此可知，計算比較復(fù)雜?？紤]到計算精度的問題，可以將頻率寄存器中的16位置零，只使用其中的32位就能夠達到精度要求。根據(jù)4-4公式來看，當(dāng)輸出的頻率為20MHz的時候，與之對應(yīng)的頻率控制字為： （4-4）為了避免較大(jio d)的誤差，可以(ky)把11E1A300向右移動(ydng)四位，可以得到11E1A30H。這時再進行除法運算，得15H。15H是一個固定的值，如此，為了方便計算，可以將15H與所需要的頻率相乘，這樣就能夠十分容易的得到頻率控制字的低16位。此時，頻率控制字低32位為1312D00H* 15H=1908B100

38、H，再在高16位補上0000H，則48位的頻率控制字為00001908B100H。當(dāng)未產(chǎn)生更新脈沖時，數(shù)據(jù)并不會被傳輸。得到頻率控制字之后，系統(tǒng)會把控制字分成幾個數(shù)據(jù)塊送到AD9854中的DDS核中，在核中進行頻率的合成。表4-1 AD9854控制寄存器表由上表(shn bio)4-1所示的AD8954控制寄存器表可以(ky)看出，從1DH至20H都是用來存放控制數(shù)據(jù)的。由于(yuy)本設(shè)計采用20MHz的晶振，而參考時鐘頻率高達300MHz，所以必須進行15倍的倍頻。表中的Bit6到Bit0是用來控制輸入時鐘的頻率，在Bit6上置一，在Bit5上置零。當(dāng)倍頻數(shù)為15時，可將Bit4至bit1

39、都置一，其余置零，由此可以得到1EH的單元控制字是4FH。如果把1FH中的Bit1單元置一，可以使用內(nèi)部更新時鐘。由上表(shn bio)4-1的AD9854控制寄存器表可知(k zh)，通過合理得設(shè)置第九位到第十一位，即Mode0、Mode1、Mode2，可以(ky)進行多種數(shù)字調(diào)試，如BPSK和FSK。使用芯片AD9854所輸出的正弦波作為數(shù)字調(diào)制時的載波。根據(jù)芯片資料可知，可以根據(jù)需求修改控制寄存器里面的數(shù)據(jù)，來使得AD9854進行工作模式的切換，它一共有五種工作模式，分別為FSK、BPSK、Ramped FSK、Single-Tone、Chirp。4.4人機交互模塊設(shè)計4.4.1 鍵盤

40、程序設(shè)計在信號發(fā)生器中，鍵盤起到了輸入指令的重要作用。系統(tǒng)的控制和參數(shù)的輸入都需要鍵盤來完成。如圖4-2所示，本信號發(fā)生器根據(jù)要求，設(shè)計了一個4*4的矩陣鍵盤。其中0到9十個數(shù)字和小數(shù)點用來輸入、修改波形的參數(shù)?！啊焙汀啊庇脕硪苿庸鈽?biāo)?！癉EL”鍵，顧名思義，就是用來刪除數(shù)字用的。使用時，通過“”和“”移動光標(biāo)，選擇需要刪除的參數(shù)，按下“DEL”鍵，就能使之為零?！癟AB”鍵比較復(fù)雜，它既可以切換波形，也可以選擇調(diào)制功能，以及切換幅度和頻率的單位?！癊XE”鍵是執(zhí)行鍵，當(dāng)波形的參數(shù)，如頻率、幅度等已經(jīng)輸入完成后，按下“EXE”鍵，就能得到想要的波形。 圖4-2 鍵盤功能設(shè)計圖 按下按鍵(n j

41、in)后，鍵盤(jinpn)的軟件處理部分對于信號(xnho)發(fā)生器是否能按照輸入的數(shù)據(jù)輸出波形，具有十分重要的作用。它執(zhí)行任務(wù)的流程為檢測是否有按鍵按下按鍵的消抖，消抖有軟件消抖和硬件消抖，本次采用軟件消抖檢測出究竟是哪個按鍵按下，并計算鍵值得到鍵值之后，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。在本系統(tǒng)中，鍵盤的軟件程序包括以下幾個部分： 一共有三種方式，用來判斷是否有按鍵按下，分別是定時掃描工作方式；程序控制掃描方式；中斷掃描工作方式。 (1)定時掃描方式 即每隔一段固定的時間，掃描一次鍵盤。工作原理是利用單片機內(nèi)部的定時器，當(dāng)定時器產(chǎn)生中斷時，CPU會相應(yīng)來自定時器的中斷，執(zhí)行掃描鍵盤的任務(wù)。 (2)程序控制(

42、chngxkngzh)掃描方式 利用(lyng)CPU的空閑時間，只要(zhyo)CPU沒有任務(wù)執(zhí)行，就掃描一次鍵盤，知道接收到鍵值，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。 (3)中斷掃描方式 每次按下按鍵時，都會產(chǎn)生中斷，CPU就會執(zhí)行相應(yīng)的中斷子程序，掃描鍵盤，執(zhí)行任務(wù)。 本次采用第二種掃描方式，即利用空閑時間，掃描鍵盤。鍵盤掃描的步驟如下： (1)查詢是否有鍵按下。把全為零的掃描碼FOH通過行掃描口P1.0至P1.3輸出，得到列檢測信號，把列檢測信號輸入到P1.4到P1.7，如有一列信號不是“1”，則表示有鍵按下。(2)去抖動。操作者在輸入指令時，由于采用了機械式的開關(guān)，按下按鍵時會產(chǎn)生電壓的抖動，單片機可能

43、會判斷為連續(xù)輸入，為了避免這個錯誤，必須消抖?？梢圆捎糜布?，即使用RS觸發(fā)器來達到目的。本次采用軟件的方法來消抖，在檢測到有按鍵按下時，記錄按鍵的位置，使用延時子程序延時10ms，如果仍然檢測到相同的鍵值，則此次按鍵有效。 (3)確定按下鍵的行列值。將單片機AT89S52中得到的信號取反，查找在P1.4到P1.7中是否有為“1”的列。有的話按鍵就在這一列上，此時再進行逐行掃描，令P1.0至P1.3依次為零，掃描所在列的輸入信號，信號為零的話，則可確定行數(shù)。若掃描到最后根本沒有結(jié)果，則可以認(rèn)為是操作者誤操作了按鍵。(4)鍵值譯碼。掃描鍵盤(jinpn)后，得到返回值，如果(rgu)返回值為0

44、，則沒有(mi yu)按鍵被按下。得到相應(yīng)的鍵值后，CPU就可以執(zhí)行鍵值所代表的子程序了。圖4-3 鍵盤掃描程序流程圖4.4.2顯示程序設(shè)計本模塊的設(shè)計，是為了顯示信號的具體參數(shù)，如波形的類型，頻率等。顯示模塊采用GXM1602NSL顯示器。這個液晶顯示器一共有兩行，其中每行可以顯示16個獨立的符號。HD44780是這個液晶顯示器的控制芯片。為了存儲顯示數(shù)據(jù)，在HD44780中存在著DD RAM（顯示數(shù)據(jù)寄存器），它的地址與字符的相對關(guān)系如表4-2 。 表4-2 DD ROM地址(dzh)表對于(duy)HD44780來說，其內(nèi)部的字符發(fā)生器有兩種工作(gngzu)方式，一種是使用八位字符碼來

45、構(gòu)成32種5*10的點陣字符，另外一種就是構(gòu)成160種5*7的點陣字符。字符集中的元素很多，有數(shù)字、標(biāo)點還有大小寫的英文字母。如果這些不能滿足要求，還可以利用HD44780的自定義字符庫來設(shè)計所需要的符號。用戶可以設(shè)計顯示為5*8點陣的字符，一共可以設(shè)計八個。在本系統(tǒng)中，由于沒有顯示波形以及工作方式的符號，所以必須自己定義符號。查看HD44780的資料可知，CG RAM（字符發(fā)生器）的地址為00H到3FH，而用戶自定義庫的地址為00H到07H。 GXM 1602NS L的輸入方式共有5種：畫面左滾動輸入、畫面右滾動輸入光標(biāo)左移輸入、光標(biāo)右移輸入逐字依次(yc)輸入。本次系統(tǒng)采用光標(biāo)右移輸入方式

46、來實現(xiàn)。一共有十一條指令用來(yn li)控制HD44780。從功能(gngnng)上可以分為兩種，一種是用來對數(shù)據(jù)進行讀或?qū)懖僮?，另一種則是用來顯示當(dāng)前波形的狀態(tài)14。當(dāng)操作者對系統(tǒng)進行復(fù)位時，LCD顯示模塊也能復(fù)位，由此，單片機能夠與HD44780芯片進行連接。復(fù)位后，HD44780對LCD進行初始化:(1)使用清屏指令，使得LCD中的顯示數(shù)據(jù)隨機存儲器（display data RAM）中的數(shù)據(jù)被刪除，地址計數(shù)器AC置“0”，光標(biāo)回到原位；(2)LCD顯示開關(guān)的設(shè)置，點亮液晶屏，并且光標(biāo)開始閃爍；設(shè)定雙行顯示、8位傳輸、5*7點陣的功能；(3)入口模式設(shè)定。在初始化LCD液晶顯示屏之后，

47、在顯示屏上顯示波形相應(yīng)的頻率和類型等信息。在顯示的過程中，執(zhí)行每一個任務(wù)之前都需要查一下BF（忙標(biāo)志）15，當(dāng)芯片沒有任務(wù)時，才能執(zhí)行下面的命令。程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 液晶(yjng)控制器操作流程圖5V5V5系統(tǒng)(xtng)仿真和分析(fnx).2.5V2.5V .2.5ms2.5ms1.25ms1.25ms0.625ms0.625ms1.875ms1.875ms.圖（a）1000Hz正弦波圖（b）1000Hz三角波5V5V.2.5V2.5V.2.5ms10ms15ms5ms20ms1.25ms0.625ms1.875ms圖（d）100Hz正弦波圖（c）500Hz方波圖（f）5

48、0Hz方波圖（e）100Hz三角波5ms20ms20ms10ms15ms10ms15ms5ms.5V5V2.5V2.5V.對比(dub)圖(a)與圖(d)、圖(b)與圖(e)、圖（c）與圖（f）可以看出(kn ch)，當(dāng)信號的頻率減小到一點(y din)范圍時，波形出現(xiàn)失真。特別是在正弦波和三角波中，可以明顯看出來。由于DDS芯片對于整個系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的作用,因此,可以把AD9854換成下一代的AD9954，AD9954芯片的抗噪聲能力比較強,能夠有效的減少失真。同時也可以選擇不使用DDS芯片中的倍頻器來倍頻信號，可以直接使用300MHZ的信號源作為參考時鐘?？紤]到單片機在計算性能上的

49、限制，為了加快信號發(fā)生器的運行速度，可以考慮把AT89S52換成DSP芯片。這樣能夠極大的提高處理速度。6系統(tǒng)(xtng)調(diào)試6.1硬件(yn jin)調(diào)試在本系統(tǒng)(xtng)的電路中，涉及了很多模塊，如單片機最小系統(tǒng)、LCD液晶顯示模塊，信號產(chǎn)生模塊、幅度調(diào)節(jié)模塊。對于焊接的要求很大，不能存在短路和虛焊的問題，不然電路就不能正常運行。在實際焊接之前，應(yīng)該先使用PROTEL軟件畫出電路圖并制作PCB圖。在實際的硬件調(diào)試中遇到了許多的問題。以下為主要的問題：問題1：一開始波形一直沒有輸出，示波器上顯示雜波。解決： 仔細(xì)檢查電路的連接，沒有發(fā)現(xiàn)問題，開始在最小系統(tǒng)模塊和信號產(chǎn)生模塊等模塊檢查，發(fā)現(xiàn)

50、是最小系統(tǒng)中的外部晶振在焊接的時候燒壞了，沒有起振，換了一個新的晶振，問題解決。問題2：波形能夠正常顯示，但有時候又完全沒有波形解決：這應(yīng)該是電路中存在虛焊的現(xiàn)象，用萬用表仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)是公共地那一部分，因為連線太多，焊錫都聚在一起，里面有虛焊的現(xiàn)象。重新對公共地這塊進行焊接，解決了問題6.2軟件調(diào)試在調(diào)試軟件的過程中出現(xiàn)了很多問題，為模擬較為真實的環(huán)境，使用Keil軟件來編寫AT89S52單片機控制程序，在編譯完成之后，使用開發(fā)板，把寫好的程序?qū)雴纹瑱C。在不斷的更改錯誤后，終于解決了系統(tǒng)在軟件方面的問題。在debug的過程中，遇到了如下的問題：問題1通過開發(fā)板把Keil生成的hex文件導(dǎo)入

51、單片機，但此時LCD顯示閃爍的厲害。解決：首先對LCD液晶顯示器進行檢查，發(fā)現(xiàn)沒有問題，那就是軟件方面出現(xiàn)了錯誤。找到關(guān)于顯示部分的程序，仔細(xì)修改發(fā)現(xiàn)延時子程序出了問題。再進一步探究，由于本設(shè)計的顯示方案采用動態(tài)設(shè)計，動態(tài)掃描很快，肉眼無法看出，但如果返回時不屏蔽掉最后的賦值，就會出現(xiàn)液晶顯示很亮的問題。問題2當(dāng)按下按鍵(n jin)的時候，89S52單片機讀取的數(shù)值跟設(shè)定(sh dn)的數(shù)值不相符。解決：檢查獨立鍵盤電路的連線，建立(jinl)一個新的對應(yīng)關(guān)系。 7. 實驗數(shù)據(jù)(shj)和元器件清單7.1實驗數(shù)據(jù)(shj)及分析在實驗的過程(guchng)中,使用示波器 DSO-X 3012

52、A來測量數(shù)據(jù)，具體測試數(shù)據(jù)如表7-1、7-2、7-3所示，其中7-1是正弦波的測試數(shù)據(jù)，7-2是三角波的測試數(shù)據(jù)，7-3是方波的測試數(shù)據(jù)。表7-1 正弦波頻率的測量測量值/Hz12測量值/Hz34平均值/Hz誤差/%20100200011061.510623.3103.420221.051061.6310621.2101.320151.091061.6510621.8108.120071.101061.7010622.799.820091.071061.6610622.25102.152013.251.07751061.66106-11.25-2.15-0.6625-7.75-16表7-2 三

53、角波頻率的測量測量值/Hz12測量值/Hz34平均值/Hz誤差/%20100200011061.510621.2101.520081.111061.7210622.6109.220111.041061.6310621.3102.920241.051061.6410623.798.420141.091061.6710622.2010320141.07251061.665106-11-3-0.7-7.25-16.5表7-2 方波頻率的測量測量值/Hz12測量值/Hz34平均值/Hz誤差/%20100200011061.510622.5110.420111.071061.5210621.8104.5

54、20231.141061.6910622.1107.420141.031061.5910622.4102.920071.171061.7210622.2106.32013.751.10251061.63106-11-6.3-0.6875-10.25-13使用焊接好的信號發(fā)生器進行頻率(pnl)的測量，可以(ky)發(fā)現(xiàn)(fxin)，設(shè)置的頻率和實際輸出的頻率存在誤差。經(jīng)過簡單的計算，當(dāng)頻率較小時，實際輸出的信號和設(shè)置的信號存在較大的誤差。頻率較高時，誤差也比較大?？傮w趨勢是，隨著頻率的增加，誤差越來越小，當(dāng)增大到一定頻率時，誤差反而增大了。7.2實測波形與失真度分析.2.5V2.5V5V5V1.

55、25ms2.5ms圖(a)中的正弦波,在波峰和波谷有稍許的失真,而同樣頻率的三角波（如圖(b)所示）并沒有相似的失真。圖(c)中的方波的情況和三角波類似。.5V2.5ms1.25ms圖(b) 1000Hz的三角波圖(a) 1000Hz的正弦波2.5V.2.5ms1.25ms圖(c) 500Hz的方波通過對完成的信號發(fā)生器進行測試,可以看出,理論數(shù)據(jù)與實際的數(shù)據(jù)有很大的不同,有時候仿真的時候波形失真度不高,但是實際測試的過程中卻有很大的失真,這種問題可能是電路中的元器件參數(shù)精度不高,誤差較大,導(dǎo)致不能實現(xiàn)仿真時的效果?？梢赃x擇性能更好的元器件來達到目標(biāo)。7.3實物圖與制作如圖7-1所示，為此次制作的多功能信號(xnho)發(fā)生器實物。圖7-1中有各個模塊(m